全流程水廠工藝設(shè)計與典型案例解析

　　當前，我國城市供水行業(yè)面臨著兩個方面的問題。一方面，飲用水水源污染問題仍然比較突出，存在飲用水水質(zhì)不達標的風險。盡管推進了全國飲用水水源地集中整治工作并取得極大成效，但2020年3月28日發(fā)生的伊春鹿鳴礦業(yè)有限公司鉬礦尾礦庫4號溢流井傾斜事故造成鐵力市第一水源地關(guān)閉的事件，提醒我們城市飲用水水源污染風險從未離去。

而2020年初的新冠肺炎疫情，也曾一度引起人們對飲用水水質(zhì)安全的擔憂，疫情嚴重地區(qū)水廠采取了控制出水濁度和強化消毒等預(yù)防性措施。另一方面，我國進入小康社會，廣大人民群眾對高品質(zhì)生活飲用水的需求不斷增長，供水系統(tǒng)存在設(shè)施建設(shè)不完善、不充分與廣大人民群眾對優(yōu)質(zhì)飲用水水質(zhì)新期待之間的矛盾。近年來，上海市、深圳市、雄安新區(qū)、海口市江東新區(qū)、武漢市、浙江省、江蘇省等地已（擬）發(fā)布地方性生活飲用水水質(zhì)標準，提出了比現(xiàn)行國標更為嚴格的生活飲用水水質(zhì)標準，期望通過標準的提升，進一步推動凈水工藝改進和管理水平提高，使廣大人民群眾因水質(zhì)改善而提高獲得感。

　　針對第一個問題，應(yīng)貫徹底線思維，提升供水系統(tǒng)應(yīng)對水源水質(zhì)污染風險的能力。飲用水水質(zhì)安全是國家公共衛(wèi)生安全體系的重要組成部分，與人民身體健康和社會穩(wěn)定息息相關(guān)，提供合格水、放心水是供水系統(tǒng)的最基本要求。針對第二個問題，應(yīng)貫徹以人民為中心的發(fā)展理念，提高供水系統(tǒng)建設(shè)標準，提供更優(yōu)質(zhì)、更健康、更好喝的飲用水,實現(xiàn)城市供水系統(tǒng)的高質(zhì)量發(fā)展。

　　在上述背景下，基于飲用水安全保障的多級屏障工藝——全流程工藝在國內(nèi)水廠建設(shè)中開始得到較多應(yīng)用，建成了一批全流程水廠。

　　1、供水系統(tǒng)多級屏障理念及全流程工藝概念的提出

　　“十一五”和“十二五”期間，“國家水體污染控制與治理科技重大專項”（簡稱“水專項”）設(shè)立了“飲用水安全保障”主題，構(gòu)建了我國“從源頭到龍頭多級屏障工程技術(shù)體系”和“從源頭到龍頭全過程管理技術(shù)體系”。這是水專項十多年研發(fā)的重大成果，而貫穿其中的“多級屏障”理念，直接引領(lǐng)了近十多年我國城市供水系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展方向，促進了以臭氧-活性炭、膜分離、紫外消毒等為核心的飲用水安全保障多級屏障工藝在供水廠日益廣泛的應(yīng)用。

　　筆者認為，飲用水“多級屏障”理念的內(nèi)涵，至少包含以下兩個層次：第一個層次，從整個供水系統(tǒng)來說，涵蓋了水源、水廠和輸配管網(wǎng)三道安全屏障；第二個層次，從水廠凈化處理環(huán)節(jié)來說，涵蓋了預(yù)處理、常規(guī)處理、深度處理、消毒等若干道安全屏障。

　　基于第二層次，在2015年之后，供水行業(yè)提出了“全流程工藝”這一新概念。所謂全流程工藝，其基本含義是，水廠凈水工藝包含了預(yù)處理工藝、常規(guī)處理工藝和深度處理工藝，并且其中的深度處理應(yīng)包含臭氧-活性炭濾池和膜處理。采用全流程工藝的水廠，稱為“全流程工藝水廠”或“全流程水廠”。

　　預(yù)處理工藝包括化學(xué)預(yù)處理（如臭氧氧化、氯氧化、高錳酸鉀氧化等）、生物預(yù)處理、粉炭吸附預(yù)處理等多種形式。全流程工藝中的預(yù)處理工藝，一般多為預(yù)臭氧工藝。

　　常規(guī)處理為混凝-沉淀-砂濾-消毒處理，是最基本的凈水工藝，也是我國目前大多數(shù)水廠采用的工藝形式，是全流程工藝必備的環(huán)節(jié)。

　　深度處理工藝包括臭氧-活性炭工藝、膜處理工藝和高級氧化工藝。其中臭氧-活性炭工藝應(yīng)用最為普遍，截止2019年全國總規(guī)模約為3500萬m3/d；膜處理工藝包括超濾和納濾，以超濾膜為代表，近年也得到更多應(yīng)用，截止2019年全國總規(guī)模約為500萬m3/d，可進一步提高飲用水的生物安全性，彌補臭氧-活性炭工藝的不足。全流程工藝中的深度處理工藝應(yīng)包括臭氧-活性炭工藝和膜處理工藝，可稱之為“雙深度處理”。

　　另外，全流程工藝還常常包括紫外線消毒工藝。國內(nèi)有四十多座大中型水廠采用了紫外線消毒工藝，總規(guī)模近650萬m3/d，如天津泰達經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)給水廠三期工程采用紫外線＋氯聯(lián)合消毒工藝，北京第十水廠采用紫外線+氯胺聯(lián)合消毒工藝。

　　綜上所述，全流程工藝是一種長流程工藝，其組成單元如下：預(yù)處理單元（預(yù)臭氧、生物預(yù)處理等）、常規(guī)處理單元（混凝、沉淀、砂濾、消毒）、臭氧-活性炭吸附單元和膜處理單元（超濾或超濾+納濾），有些水廠還有紫外線消毒單元，流程框圖見圖1。這些工藝單元各具作用，相互補充，組成保障飲用水安全、優(yōu)質(zhì)的多級屏障。因此也可以說，全流程工藝是飲用水多級屏障理念在水廠設(shè)計中的具體應(yīng)用，促進了全流程水廠的建設(shè)與實踐。

　　圖1 全流程工藝框圖

　　我院結(jié)合承擔的國家“十三五”水專項課題成果，在珠海市拱北水廠專門建立了一座“預(yù)處理+常規(guī)處理＋深度處理（BAC+超濾膜）”的水處理全流程中試基地，旨在通過對多水源采用不同組合工藝流程的試驗研究[7]，為全流程水廠設(shè)計提供依據(jù)。

　　2 全流程水廠建設(shè)現(xiàn)狀

　　國內(nèi)全流程水廠建設(shè)與實踐始于2010年之后，盡管當時并沒有全流程水廠這一提法。國內(nèi)目前已建成的全流程水廠情況如下表1所示。從公開報道資料看，北京市門頭溝城子水廠是國內(nèi)最早建成投運的全流程水廠。

表1  國內(nèi)已建成全流程水廠情況表

　　序號水廠名稱水廠規(guī)模（萬m3/d）水源及特點建設(shè)情況

　　1北京市門頭溝城子水廠8.64南水北調(diào)水-團城水庫水，低溫低濁水；長距離輸水可能存在污染2014年9月建成通水

　　2北京市郭公莊水廠（一期）50南水北調(diào)水-團城水庫，低溫低濁水；長距離輸水可能存在污染2014年12月建成通水

　　3鄭州航空港第二水廠（一期）20南水北調(diào)水或黃河水，低溫低濁水；黃河水一般為III類，存在突發(fā)水污染情況2017年8月正式供水

　　4鄭州市龍湖水廠20花園口黃河水，低溫低濁水；一般為III類，存在突發(fā)水污染情況，2018年11月開工建設(shè)

　　5廣州市北部水廠（一期）60西江水，II類水2019年1月年月試運行

　　國內(nèi)已建成投運的全流程水廠尚不多，主要位于經(jīng)濟較為發(fā)達的大城市。這些項目的基本特點是：項目規(guī)模較大，服務(wù)人口多，安全性要求高；原水存在突發(fā)水質(zhì)污染的可能，為保證水質(zhì)安全，或者盡管原水水質(zhì)較好，為提供高品質(zhì)飲用水，采用了包括預(yù)處理、常規(guī)處理和雙深度處理的全流程工藝。目前正在建設(shè)的全流程水廠包含雄安新區(qū)起步區(qū)1#水廠、珠海市梅溪水廠、?？谑薪瓥|新區(qū)水廠、濟寧市長江水廠等。

　　3 全流程水廠設(shè)計案例

　　3.1 雄安新區(qū)起步區(qū)1#水廠

　?。?）項目概況

　　水廠規(guī)劃遠期總規(guī)模20萬m3/d，一期規(guī)模15萬m3/d。水源為南水北調(diào)水，原水水質(zhì)總體達到地表水Ⅲ類標準，但存在水質(zhì)污染情況：總氮超標，石油類、糞大腸菌群偶有超標，整體呈現(xiàn)低濁、低有機物的水質(zhì)特征，冬季低溫；pH 相對較高；檢出多種典型致嗅物質(zhì)；藻類總數(shù)150-300萬個/L。

　　水廠供水水質(zhì)要求滿足“雄安新區(qū)生活飲用水水質(zhì)標準”，為服務(wù)區(qū)提供高品質(zhì)生活飲用水。

　?。?）凈水工藝流程

　　原水——預(yù)臭氧接觸池——高效澄清池——V型砂濾池——提升泵房——后臭氧接觸池——翻板活性炭濾池——超濾膜車間——紫外線+次鈉聯(lián)合消毒——清水池——送水泵房——配水管網(wǎng)。

　?。?）主要工藝設(shè)計參數(shù)

　　預(yù)臭氧接觸時間5min；高效澄清池混合時間2min，絮凝時間20min，沉淀區(qū)液面負荷12m3/(m2.h)；V型砂濾池濾速 7.2m/h；后臭氧接觸時間12mim；活性炭濾池空床濾速10m/h；超濾膜通量不大于60L/(m2.h)，紫外消毒采用2臺DN800管式消毒設(shè)備。

　　圖2 雄安新區(qū)起步區(qū)1#水廠鳥瞰圖

　　3.2珠海市梅溪水廠

　?。?）項目概況

　　水廠規(guī)劃總規(guī)模45萬m3/d，一期工程土建按30萬m3/d規(guī)模一次建成，設(shè)備按15萬m3/d規(guī)模進行安裝。水源取自西江磨刀門水道，咸期可利用平崗泵站或竹銀水庫；應(yīng)急備用水源為梅溪水庫和大境山水庫。原水水質(zhì)基本符合地表水Ⅱ類標準，但藻類明顯超標，TN超標不多且以無機污染為主。

　　水廠供水水質(zhì)要求同時滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749-2006）和《飲用凈水水質(zhì)標準》（CJ94-2005）。

　?。?）凈水工藝流程

　　原水——預(yù)臭氧接觸池——高效澄清池——氣水反沖洗砂濾池——后臭氧接觸池——翻板活性炭濾池——超濾膜池——紫外線+次鈉聯(lián)合消毒——清水池——送水泵房——配水管網(wǎng)。

　　（3）主要工藝設(shè)計參數(shù)

　　預(yù)臭氧接觸時間7.4min；高效澄清池混合時間1.25min，總絮凝時間15.1min（含推流區(qū)），沉淀區(qū)液面負荷14.4m3/（m2.h）；砂濾池濾速7.5m/h；后臭氧接觸時間13.1mim；活性炭濾池空床濾速11.1m/h；采用浸沒式超濾膜，平均膜通量23.3L/（m2.h）；紫外消毒采用4臺DN800管式消毒設(shè)備。

　　圖3 珠海市梅溪水廠鳥瞰圖

3.3 海口市江東新區(qū)水廠

　?。?）項目概況

　　水廠土建按40萬m3/d規(guī)模一次建成，設(shè)備按20萬m3/d規(guī)模安裝。采用地下式水廠+地上開發(fā)的建設(shè)模式。水源取自南渡江龍?zhí)翂?，原水總體達到地表水III類標準，但鐵、錳超標情況比較突出，總磷偶有超標，存在微污染情況。

　　水廠供水水質(zhì)要求優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749-2006），滿足“江東新區(qū)高品質(zhì)飲用水水質(zhì)標準”的要求。

　?。?）凈水工藝流程

　　原水——進水配水井——預(yù)臭氧接觸池——折板絮凝斜管沉淀池——V型砂濾池——中間提升泵房——后臭氧接觸池——翻板活性炭濾池——超濾膜車間——紫外線+次鈉聯(lián)合消毒——清水池——送水泵房——配水管網(wǎng)。

　?。?）主要工藝設(shè)計參數(shù)

　　預(yù)臭氧接觸時間5min；折板絮凝斜管沉淀池混合時間55s，絮凝時間16min，沉淀池斜管區(qū)液面負荷6.5m3/(m2.h)；V型砂濾池濾速7.41m/h；后臭氧接觸時間8.2mim；活性炭濾池空床濾速9.5m/h；超濾膜通量60L/(m2.h) ；紫外消毒采用4臺DN800管式消毒設(shè)備。

　　圖4 ?？谑薪瓥|新區(qū)水廠鳥瞰圖

　　3.4濟寧市長江水廠

　　（1）項目概況

　　水廠遠期總規(guī)模20萬m3/d，一期工程建設(shè)規(guī)模10萬m3/d。水源取自南陽湖石橋泵站，原水水質(zhì)基本符合地表水Ⅲ類標準，但總氮、硫酸鹽、化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、高錳酸鹽指數(shù)、氟化物、氨氮、溴化物等項目超標，且有機微污染、硫酸鹽等問題突出。

　　水廠供水水質(zhì)要求滿足《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749－2006）。

　?。?）凈水工藝流程

　　原水——預(yù)處理（粉炭、高錳酸鉀）——豎向折板絮凝平流沉淀氣浮池——臭氧接觸池——UV/H2O2高級氧化（預(yù)留）——上向流活性炭濾池——超濾膜池——納濾（預(yù)留）——清水池——送水泵房——配水管網(wǎng)。

　?。?）主要工藝設(shè)計參數(shù)

　　折扳絮凝池絮凝時間取20min，平流沉淀池停留時間2.2h，水平流速15.0mm/s，氣浮池設(shè)置于沉淀池之后，氣浮池接觸室上升流速51mm/s，分離區(qū)流速7.4mm/s，最大溶氣壓力0.60MPa，設(shè)計最大回流比10%；臭氧接觸時間14.6mim；活性炭濾池空床濾速10.1m/h，接觸時間14min；浸沒式超濾膜池平均膜通量30L/(m2.h) 。

　　圖5 濟寧市長江水廠鳥瞰圖

　　4 全流程水廠總體設(shè)計思考

　　（1）充分利用國家“水專項”系列成果，促進水廠建設(shè)技術(shù)進步

　　全流程水廠是國家“水專項”成果的具體應(yīng)用，代表了現(xiàn)階段我國飲用水處理工藝先進水平。其根本宗旨是以人為本，體現(xiàn)了以人民為中心的思想，有利于增強人民群眾的獲得感；其核心理念是多級屏障理念，強化凈化環(huán)節(jié)的風險管控能力，提升水質(zhì)安全裕度；其核心工藝是綠色工藝，有利于減小水處理藥劑的投加量，水質(zhì)更加健康、好喝。全流程水廠設(shè)計應(yīng)充分利用“水專項”系列成果，促進我國城市水廠建設(shè)技術(shù)進步。

　?。?）充分分析原水水質(zhì)，強化風險識別

　　全流程水廠的基本目標是原水水質(zhì)差時保證出水達標，提供合格水；原水水質(zhì)好時保證出水優(yōu)質(zhì)，提供高品質(zhì)水。全流程水廠設(shè)計應(yīng)對原水水質(zhì)進行客觀、準確分析，對風險進行精準識別，必要時可進行專門試驗研究，在此基礎(chǔ)上進行工藝選擇，以提高工藝針對性，不能為追求全流程而進行全流程設(shè)計。

　?。?）合理選擇工藝單元及其形式

　　全流程水廠采用長流程，工藝單元多，各單元具備不同功能，要結(jié)合項目特點和具體情況合理選擇工藝單元及其形式，如預(yù)處理的形式，絮凝沉淀池池型，砂濾池池型，活性炭濾池池型，超濾膜形式（壓力式或浸沒式）；是否設(shè)置砂濾，砂濾池在前還是活性炭濾池在前，是否有必要設(shè)置納濾，納濾處理水量的比例；活性炭濾池前是否設(shè)置提升泵房等。例如在雄安新區(qū)起步區(qū)1#水廠和珠海梅溪水廠設(shè)計中，綜合考慮原水水質(zhì)、廠區(qū)用地及景觀要求，絮凝沉淀采用高效沉淀池池型；在濟寧長江水廠設(shè)計中，針對原水水質(zhì)特點，采用平流沉淀+氣浮的雙沉淀組合工藝，炭濾池采用上向流形式，不設(shè)砂濾池，預(yù)留高級氧化（UV/H2O2）單元和納濾單元；在珠海梅溪水廠設(shè)計中，針對廠區(qū)地形高差較大的特點，在砂濾和炭濾之間不設(shè)提升泵房。

　　（4）合理確定工藝參數(shù)

　　全流程水廠各工藝單元處理重點不同，其基本原則是前序單元為后續(xù)單元減負荷，后續(xù)單元為前序單元加保險。因此，對于全流程水廠，要更加注意強化常規(guī)處理單元的效果，其設(shè)計參數(shù)取值在一般情況下也相對保守，以便后續(xù)深度處理單元的功能發(fā)揮。這與全流程水廠注重安全的理念是一脈相承的，同時相對保守的常規(guī)處理設(shè)計參數(shù)還可以減小藥劑投加量，更加綠色安全。例如雄安新區(qū)起步區(qū)1#水廠、珠海梅溪水廠高效澄清池斜管沉淀區(qū)液面負荷取值都靠近《室外給水設(shè)計標準》（GB50013-2018）的下限值，有利于保證沉淀水水質(zhì)，可降低PAM投加量，保護砂濾和后續(xù)超濾膜；雄安新區(qū)起步區(qū)1#水廠、珠海梅溪水廠和?？诮瓥|新區(qū)水廠砂濾池設(shè)計濾速均低于7.5m/h，屬于中間偏下的濾速。

　　（5）廠區(qū)平面宜采用集約化布置方式，節(jié)約用地，提高與環(huán)境的融合度

　　全流程水廠工藝單元多，占地面積大，運行管理相對復(fù)雜，應(yīng)按照集約化原則（如平面組合，豎向疊合等）進行水廠總平面布置，減小廠區(qū)占地，縮短連接管路，方便巡視管理，提高土地利用效率，結(jié)合海綿設(shè)施打造廠區(qū)優(yōu)美景觀環(huán)境。應(yīng)重視廠區(qū)建筑，有條件時，采用去工業(yè)化設(shè)計理念，將凈水構(gòu)筑物建筑化，并且要求廠區(qū)工業(yè)建筑像民用建筑那樣擁有建筑藝術(shù)性，創(chuàng)造宜人、優(yōu)美、時尚、有文化的建筑空間環(huán)境，達到水廠與周邊環(huán)境的高度融合。例如，在雄安新區(qū)起步區(qū)1#水廠設(shè)計中，根據(jù)規(guī)劃要求對廠區(qū)地形進行重構(gòu)，借鑒北京四合院布局特點，采用組合式構(gòu)（建）筑物，集約化布置，并將構(gòu)筑物建筑化，以達到廠區(qū)設(shè)施與周邊環(huán)境的高度融合；珠海梅溪水廠廠區(qū)利用采石場廢坑建設(shè)，變廢為寶，充分利用山地地形，因山就勢，處理設(shè)施采用組合設(shè)計、集約化布置，消隱于山谷，與環(huán)境高度融合，占地極??；?？诮瓥|新區(qū)水廠是國內(nèi)首座全地下式水廠（綜合樓及臭氧發(fā)生器間布置在地面上），地上面積進行復(fù)合式開發(fā)利用，極大地提高土地利用率，并提高了水廠臺風期抗災(zāi)能力。

　?。?）優(yōu)化凈水構(gòu)筑物水力高程布置，靈活設(shè)置多種運行模式

　　全流程水廠工藝安全性高，設(shè)計應(yīng)充分注意優(yōu)化凈水構(gòu)筑物水力高程布置，使水廠具備采用多種運行模式的條件，以適應(yīng)不同條件下的運行工況，包括：正常運行工況，全部單元運行的長流程運行模式；超越運行工況一，超越炭濾池的中流程運行模式；超越工況二，超越全部膜處理單元的中流程運行模式；超越工況三，超越部分膜處理單元的中流程運行模式；超越工況四，特殊情況下超越炭濾池和膜處理單元的常規(guī)處理短流程模式等。例如前文介紹的四座全流程水廠均設(shè)置了多種運行模式。

　?。?）充分應(yīng)用智慧水務(wù)技術(shù)，提升運行管理水平

　　全流程水廠作為工藝安全性高的水廠，還應(yīng)該在高效、智能運營方面做出表率和示范。應(yīng)配置完善的自動檢測系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)等，以實現(xiàn)對水廠的全流程在線監(jiān)測，對關(guān)鍵工藝單元的智能化管控，對生產(chǎn)過程的預(yù)測模擬分析，對水廠運行的整體優(yōu)化和輔助決策，從而保證水廠運行安全高效、水質(zhì)穩(wěn)定可靠。

　　5   總結(jié)

　　全流程水廠系“水專項”成果的具體應(yīng)用，代表了現(xiàn)階段我國飲用水處理工藝先進水平。全流程水廠設(shè)計應(yīng)充分利用“水專項”成果；充分分析原水水質(zhì)，強化風險識別，在此基礎(chǔ)上進行工藝選擇，提高工藝針對性，不能為全流程而全流程；合理選擇工藝單元及其形式、工藝設(shè)計參數(shù)；在平面布置方面應(yīng)注意集約化布置，高效利用土地；在豎向水力高程布置方面應(yīng)靈活設(shè)置多種運行模式；充分應(yīng)用智慧水務(wù)技術(shù)，配置完善的智慧管控系統(tǒng)，實現(xiàn)水廠安全高效運行，保障安全優(yōu)質(zhì)供水。

編輯：王媛媛